厚煤区采动影响下电视信号塔调平纠偏技术应用研究

尚政杰

(1.河南理工大学 安全工程学院，河南 焦作 454003；2.郑煤集团白坪煤业有限公司，河南 郑州 450007)

我国地下煤矿可开采量占总储量的比重约为85%～90%，地下煤炭资源开采后，岩层在重力作用下产生移动和变形，引起地表塌陷，并对地面建(构)筑物造成损伤，不但破坏矿区生态环境，还会给煤炭企业带来巨大的经济赔偿负担[1，2]。为最大限度地解放地面建(构)筑物下压煤，提高资源回收率，有效保护地表建(构)筑物，需要在研究煤矿岩层与地表移动规律的基础上，开展采动影响分析及保护技术的研究。

国内学者通过研究井下开采引起地表下沉、倾斜和水平移动对构筑物的影响规律，提出了多种高压供电线铁塔变形控制和安全防护措施，郑彬[2]等选用限定开采厚度和匀速推进相结合的开采方法，在保证高压供电铁塔安全运行的前提下成功开采放顶煤工作面；郑志刚[3]采用条带开采和留设煤柱相结合的开采方案，建立地表岩移观测站，对高压线路定期维护，保障了高压线路安全运行；刘文生[4]等将覆岩离层注浆技术应用于济宁三号矿区高压供电线路下采煤，提高了矿井煤炭资源回采率；赵海林[5]采用可调基础加固技术和板式平台纠偏技术，对不同的地质条件和保护等级的输电线塔采用了不同的保护措施；张建强[6]针对采空区输电铁塔基础变形对线路的损坏类型，应用了连续可调联体梁基础变换等措施，降低煤矿开采对高压线塔破坏影响。上述研究表明，采用限采高、留煤柱[7]或注浆减沉技术有助减轻地面构筑物变形破坏，高压供电线塔采用基础加固和纠偏技术可以保证采动影响下线塔安全使用。广播电视信号铁塔属于独立结构，无邻近高压输送线牵拉，广播电视信号铁塔对地表移动变形敏感性较强，目前国内对广播电视信号塔下采煤方面工程实例较少。白坪煤业公司13031工作面煤厚变化区域地表建设有高度55 m广播电视信号铁塔(以下简称信号铁塔)，为保证信号铁塔连续安全运行并最大限度提高采煤工作面资源采出率，试验应用了铁塔基础注浆加固和动态调平纠偏技术后，地表变形活跃期信号铁塔基础倾斜度均小于5 mm/m，实现了信号铁塔连续安全运行，研究成果对类似地质条件下地面独立信号铁塔保护、提高煤炭资源采出率等均具有一定指导意义。

1 工程概况

1.1 矿井概况

郑煤集团白坪煤业公司位于河南省登封市白坪镇境内，井田位于嵩箕山区中段南部，地表属构造剥蚀低山丘陵区，地面标高+344.5～+721.5 m，井田走向长10 km，倾斜长2～4 km，面积18 km2，矿井核定生产能力1.80 Mt/a，主采二叠系山西组二1煤层，地质构造复杂程度为中等，瓦斯地质类型为极复杂类型，煤与瓦斯突出矿井。

13031工作面位于井田东部，北邻13071、13051工作面采空区，东至矿井东部井田边界保护煤柱，西至13采区轨道、胶带、回风上山，南为矿井井田边界保护煤柱，13031工作面对应地表为受风化剥蚀的山区，地面多被植被和灌木覆盖，地面对应范围无村庄。回采范围二1煤层赋存不稳定，煤层厚度变化较大，煤厚0～18.9 m，倾角8°～12°，煤层底板标高-30～+30 m，地面标高+510.1～+721.5 m，埋深515～753 m。采用综采低位放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。工作面类似“刀把型”布局，其中里段走向长约801 m，倾斜长192～369 m，外段走向长619 m，倾斜长294～328 m，中、下部巷道为进风巷，上部巷道为回风巷，13031工作面巷道布置如图1所示。

1.2 信号铁塔情况

13031综采工作面地表在114011地质勘探钻孔附近存在广播电视信号站等建(构)筑物，广播电视信号站与工作面相对位置如图1所示。信号铁塔对应井下位置周围100 m平均煤层厚度3.8 m，采用低位放顶煤工艺一次采放煤层全厚。广播电视信号铁塔为钢桁架结构，由铁塔、基础以及附属连接件等组成，铁塔钢桁架四角建于四个独立基础支墩上，铁塔支墩间距8 m×8 m，按照逆时针将各塔基编号为tj1、tj2、tj3和tj4，基础支墩为钢筋混凝土结构，尺寸为100 cm(长)×80 cm(宽)×100 cm(高)，基础支墩下部为半径220 cm圆形独立混凝土挖孔桩基，桩基深度18 m，终孔为稳定平顶山砂岩。四个基础支墩下部由4根地梁连接，地梁位于圆形基础顶部、基础墩下部，截面为30 cm×55 cm，铁塔高度约55 m。

煤层开采形成的采空区造成铁塔基础不均匀沉陷和倾斜，基础不均匀下沉将引起铁塔桁架结构内部产生附加应力，当附加应力大于材料的许可应力时，铁塔结构就会发生破坏或者倾斜甚至倒塌[8]。为保证广播电视铁塔基础不均匀沉陷时不发生破坏或倾斜，对铁塔地基应用注浆加固和动态调平技术。

2 保护加固技术措施

2.1 地基注浆加固

为提高电视塔地基的整体性，减轻水平应力对电视塔基础及钢结构的影响，采取地基精准注浆加固措施保护信号铁塔。在工作面采动影响至信号铁塔基础时，对信号铁塔地基(基础内部与基础周边)进行渗透注浆加固[9]。信号铁塔地基位于地表裸露基岩内，对基础内及其周边的破碎基岩注浆，一方面可改变地基岩土力学性质，提高地基强度；另一方面充填地基原有空隙与空洞，基础地基受采动影响移动下沉时，水泥浆浆液进入破碎基础空隙、空洞将起到补偿地表下沉、变形作用[10]。通过注浆泵、注浆管，将水泥浆液注入信号铁塔基础岩体裂隙中，通过渗透、充填、压密扩展形成浆脉。浆液固化后胶结岩体裂隙，同时裂隙内的浆液形成的结石体对其上覆地层形成支撑作用[11]，阻止上覆地层的进一步下沉，提高地基的承载力。信号铁塔桩基构筑在厚层状中、粗粒长石石英砂岩(石千峰组平项山砂岩，平均厚度69 m)。平顶山砂岩渗透系数小、风化裂隙不发育，水泥浆液扩散半径小，采取浅孔(2 m)注入水泥浆液方式胶结岩体裂隙，提高基础周围地层整体强度，注浆钻孔布置方式如图2所示。

图2 广播电视信号塔基础注浆加固钻孔布置(mm)Fig.2 Arrangement of holes for the TV foundation grouting reinforcement

注浆工艺方案：设计施工33个注浆孔，钻孔间距2000 mm，钻孔深度2000 mm，采用规格∅32×3 mm、材质Q235钢管桩，浆液材料为P.O 32.5水泥。首先开挖平整铁塔基础土方，挖基础土方至原地平线下100 cm；根据注浆钢管桩布设参数放线定位注浆孔；采用凿岩机施工孔深2.0 m，直径42 mm注浆孔；钢管桩单桩长2.0 m，将钢管桩插入注浆孔；注浆钢管桩端部做成锥形，钢管桩下部1.0 m范围侧边每25 cm布置一个孔径15 mm出浆孔；连接注浆泵对钢管桩进行注浆，浆液水灰比1∶2，单孔注浆水泥用量0.3～0.5 t，单桩注浆量达到要求后，保持压力稳定5 min。

2.2 铁塔动态调平

地表倾斜变形和水平变形造成塔基不均匀沉降和水平位移不一致[12]，使铁塔内部结构产生附加应力，当构件附加应力超过其材料强度极限时，铁塔发生变形并进一步演变为铁塔倾覆[13]。13031工作面地表信号铁塔基础为地梁连接四个支墩的联合基础，联合基础铁塔受到地表水平变形引起的附加应力较小，联合基础铁塔安全威胁的主要因素是塔基倾斜变形。地表不均匀沉降[14]，铁塔四角各塔基下沉wA≠wB≠wC≠wD时，将产生倾斜变形并带动上部塔架发生变形[15]，如图3所示。通过对铁塔基础进行技术改造，增设塔基高度调节系统，将原本固定的铁塔基础改造为可调式基础。当铁塔基础发生不均匀沉降时，通过塔基高度调节系统控制各塔基的高度，使各塔基高程动态地维持在一个水平面上，从而减小塔基不均匀下沉程度，降低塔基倾斜变形，保障铁塔的安全运行[16]。

地表下沉值w1

在四个铁塔脚部植入丝杆，丝杠植入在混凝土基础中能承受强大的竖向荷载；在铁塔根部焊接钢板，配合丝杆调节铁塔钢结构四个基础的水平；焊接在铁塔根部的钢板及丝杠上的高强螺母能为铁塔提供竖向支撑力，同时还可以承受铁塔塔身受到大风产生侧向力后引起的铁塔脚部的拉力。通过调节螺母高度来调整钢板的高度，调节铁塔任意一个钢结构基础的相对高程，对铁塔总体调平。

调平工艺方案：首先在铁塔脚部支架连接板上方400 mm位置焊接25 mm厚的方形钢板(钢板尺寸不小于760 mm×620 mm，部分多余角部可适当裁切)，钢板须裁切成两部分对接在铁塔上安装，钢板下方与铁架连接处增加斜撑，使钢板与塔架形成一体；焊接完成后可切割直径54 mm丝杆孔，孔洞距钢板边缘为30 mm。在每个混凝土基础植入3根直径50 mm、长度1000 mm的高强丝杠，丝杠下端紧挨五角形底板布置。在混凝土基础上施工钻孔，丝杆锚入基础深度500 mm，锚固力>20 t，基础上方外露500 mm，穿过方形钢板上的丝杆孔洞并且上下用螺母固定，下方布置两个高强螺母承受铁板上部荷载，螺母与钢板之间加入垫片能起到防滑和消除间隙的作用，铁塔基础动态调平装置如图4所示。

图4 铁塔钢结构基础调节装置Fig.4 Schematic diagram of the TV signal tower foundation adjustment device

根据工作面回采进度，使用全站仪、水平仪等定期监测铁塔基础观测点高程和坐标，当四个铁塔基础不均匀沉降使基础倾斜度超过或接近5 mm/m，及时使用铁塔钢结构基础调节装置对信号铁塔整体调平。调平时，首先使用松动剂暂时松开需要调整的原塔架脚部钢板与支墩连接的螺丝，利用千斤顶顶住方形钢板，下方放置在支墩上，调节千斤顶高度，使铁塔脚部能平稳上升。调整平衡后，拧紧钢板下方两个螺母以及钢板上方一个螺母，在原塔架脚部钢板与支墩之间的缝隙中塞入垫铁，拧紧固定螺母，保证塔架高度调节系统满足上部铁塔垂直承载力及抵抗风荷等侧向载荷的受力要求，固定完成后缓慢撤去千斤顶。

3 保护加固效果

3.1 变形数据观测

沿工作面推进方向沿广播电视铁塔及周边建筑物布设近走向观测线，长度258 m，设置25个观测点；在广播电视铁塔1—4号基础处分别布设四个长期观测点tj1、tj2、tj3和tj4，观测站布置如图1所示。选用全站仪、水平仪和RTK技术定期对观测点联合测量，数据相互校核，确保观测数据的准确性。

3.2 塔基沉降变化特征

13031工作面上方的广播电视铁塔为联合基础，主要对广播电视铁塔基础观测点的移动变形特征进行分析。塔基处的高程值以RTK测量为主，水平仪测量辅助检校[17]，历次现场实测各塔基高程见表1。

表1 13031工作面广播电视信号塔实测塔基高程 mTable 1 Elevation variation of the TV signal tower above the 13031 coal face

根据表1观测数据，计算历次测量时电视信号铁塔基础的移动变形值(见表2)，绘制出不同时期铁塔各塔基下沉曲线，如图5所示。

表2 电视信号铁塔基础移动变形值Table 2 Movement deformation value of the TV signal tower foundation

图5 不同时期铁塔基础下沉曲线Fig.5 Subsidence curve of the TV signal tower foundation in different periods

图5表明，13031工作面推进位置距离铁塔中心大于250 m，铁塔基础整体下沉量约0 mm，说明采动影响尚未波及信号铁塔；工作面回采位置距离铁塔中心197 m，信号铁塔四个基础观测点高程发生变化，整体下沉量为1.8 mm，1—4号塔基高程关系为h1>h2>h3>h4，说明铁塔基础进入工作面采动影响范围，期间对塔基附近区域岩体采取注浆加固措施。工作面与铁塔中心距离小于200 m后，铁塔基础出现较明显下沉，并随着工作面的推进呈现台阶状的整体下沉趋势。

3.3 塔基倾斜变化特征

根据表1观测数据，按照式(1)计算工作面距离铁塔中心不同位置塔基倾斜度[18]，不同时期信号铁塔基础倾斜度计算值见表2。由表2可知，在工作面与铁塔中心距离小于200 m，直至工作面推过铁塔58 m期间，塔基倾斜度在0.6～3.7 mm/m范围变化，均小于电视铁塔允许的极限倾斜变形值。

式中，i为塔基倾斜变形，mm/m；wm为塔基支墩最大下沉值，mm；wn为塔基支墩最小下沉值，mm，dmn为最大下沉塔基支墩与最小下沉塔基支墩之间水平距离，m。

工作面推过电视信号铁塔中心约82 m，塔基倾斜度陡增，倾斜变形达到4.9 mm/m，4个塔基高程关系为h4>h1>h2>h3，1—4号塔基累计下沉量分别为404.4、390.8、393.9、348.2 mm，并对塔基进行了第一次调平作业。工作面推过广播电视信号铁塔181 m，基础倾斜变形达到4.0 mm/m，其变形接近极限倾斜变形值，对广播电视信号铁塔基础进行了第二次调平作业。工作面推过广播电视信号塔250 m，1—4号塔基最大相对高差2 mm，倾斜变形0.25 mm/m，说明地表移动变形向衰退期过渡。

4 结 论

1)工作面采动影响至广播电视信号塔基础时，采取渗透注浆方式有助于增加单孔注浆量，提高地基强度，减小基础周围地表移动变形不均性。

2)通过对信号铁塔四角基础钢板焊接、丝杠植入、脚板下垫铁等措施改造铁塔四个基础高度可调，调平装置具体抵抗侧向应力能力。在信号铁塔基础倾斜度大于5 mm/m前采取动态调平措施可以保证塔身的垂直性和稳定性。

3)工作面距铁塔中心距离小于200 m，铁塔基础出现较明显下沉，随着工作面推进呈现台阶状的整体下沉趋势；工作面推过铁塔中心大于250 m，下沉速率小于1.7 mm/d，铁塔周围地表移动变形进入衰退期。

4)工作面距铁塔中心距离小于200 m，塔基倾斜度达到3.7 mm/m，推过铁塔中心大于181 m，塔基倾斜度达到4.0 mm/m。工作面距电视信号铁塔中心-200～+180 m范围，塔基倾斜度处于安全威胁区间，需要加大观测频次，并及时采取调平铁塔基础措施。